地貌參數揭示的三危山構造活動性差異及其原因探討

高澤民, 劉興旺,2, 邵延秀,2, 鄒小波

(1. 蘭州地球物理國家野外科學觀測研究站, 甘肅 蘭州 730000;2. 中國地震局蘭州巖土地震研究所, 甘肅 蘭州 730000)

0 引言

新生代以來印度板塊與歐亞板塊的匯聚碰撞致使青藏塊體不斷隆升,與此同時在塊體北緣伴生發育了阿爾金斷裂帶、北祁連斷裂帶等大型走滑—逆沖型構造帶,共同構成了高原北部邊界[1-2]。其中三危山斷裂位于青藏高原以北前緣隆升地帶,是阿爾金斷裂帶的重要伴生斷裂[3]。活動斷裂運動學和古地震研究表明,三危山斷裂運動方式以逆沖為主兼具走滑,局部伴有正斷特征[4],斷裂東北段存在多次古地震事件[5]。對于其最新活動性,早期研究認為該斷裂活動時間為早、中更新世,晚更新世以來不活動[6]。近些年研究指出,斷裂為一條晚更新世活動斷裂,在晚更世晚期或全新世早期也有活動[4-5]。然而,從地貌學角度將構造地貌分析方法應用到三危山地區活動構造研究中的實例并不多,對三危山斷裂不同段構造活動強度量化及其對地貌演化的影響問題仍缺乏研究。

采用高分辨率地形數據從地貌形態中提取定量化地形參數信息分析構造活動特征已成為地貌和構造研究領域的重要發展方向,地貌參數能夠反映構造活動對區域河流發育及演化過程的影響[7]。在構造運動活躍的隆升區,長時間跨度下平均抬升速率的差異可由地貌參數有效的指示[8]。通過分析河流水系、地形特征與地貌參數值間的相關性,可揭示造山帶水系格局變化對構造活動的響應[9]。由地貌參數指示的構造活動強度與斷裂實地調查的活動性強度間存在很好的一致性[10],因此,本文嘗試從地貌學角度出發,利用高程、坡度、河道陡峭指數與河道坡降指數方法對三危山地區地貌特征進行定量化分析,以期揭示三危山斷裂不同段地貌發育特征與斷裂活動性差異的關系。

1 區域概況

三危山所在的瓜州—敦煌地區處于新構造時期以來以強烈坳陷為特征的地區,而三危山斷裂在整體下沉區卻表現出明顯不同于整體的新構造運動特征,其所控制的北東向三危山隆起區分割了敦煌盆地和踏實盆地(圖1)。三危山斷塊隆起區地層主要由前震旦紀敦煌群變質巖和華力西期巖漿巖組成(圖1),第四系地層主要構成了山前略有起伏的傾斜地帶及戈壁平原,以上更系統和全新統出露最為廣泛,中、下更新統地層局部保留(圖1)。三危山斷裂對不同微地貌單元具有控制作用,多數地段構成前第四紀地層與第四紀地層的分界線,亦構成了三危山斷塊隆起區與山前緩傾斜平原的分界線。

在三危山斷裂以南更大區域范圍內是以左旋走滑著名的阿爾金斷裂帶,阿爾金斷裂帶的東段控制了祁連山斷裂系向北西方向的延伸,該新構造運動活躍區以北西向的活動斷裂最為發育,為區域地殼運動差異性強烈地區,活動斷裂控制了現今地貌的形成,中強震及小震較多。區域上該區曾發生過1932年昌馬7.6級地震,1785年玉門惠回堡6級地震,2002年玉門5.9級地震[11-13],這些地震的等震線長軸均為北西向,與發育在祁連山隆起區的北西向活動斷裂密切相關。三危山斷裂以北為新構造時期以來以整體性抬升弱的差異性運動為特征,該地區長期處于剝蝕夷平狀態,形成現今荒涼的戈壁殘山,這一地區少見中強震,顯示出以整體緩慢抬升的新構造運動為主,差異性運動非常微弱。

圖1 三危山斷裂地質構造簡圖Fig.1 Simple geological map of Sanweishan fault

2 三危山斷裂活動特征

三危山斷裂位于三危山西北麓,斷裂西起黨河水庫附近,在鳴沙山一帶由于風積砂的堆積呈隱伏狀,向北東穿過西水溝、東水溝,過樹溝子、漢峽、蘆草溝、瓜州口等地延伸至雙塔水庫一帶,斷裂全長約175 km,傾角50°～70°,傾向SE[4]。根據斷裂幾何特征的差異,三危山斷裂可分為三段:西水溝—樹溝子段(西段),長約60 km;樹溝子—十工口子段(中段),長約65 km;十工口子—雙塔段(東段)長約50 km(圖1)。三危山隆起區以三危山斷裂為北西邊界,其形態明顯受三危山斷裂控制,山體寬度介于4～10 km,海拔高度介于約1 450～1 950 m,總體形態西高東低、南緩北陡。

晚更新世以來,三危山地區運動特征表現出間歇性抬升的特點[6],三危山斷裂表現出分段活動的特征[4]。根據洪積階地拔河高度及部分階地的熱釋光測年,張裕明等[6]得到斷裂西、中、東段抬升速率分別約為2.06 mm/a、0.47 mm/a和0.84 mm/a,具有明顯的分段活動特征。需要指出的是,該抬升速率實際是河流下切速率,階地下切是個復雜的過程,受氣候和構造雙重作用控制[14-16],在完全不考慮氣候作用的影響下,可以認為該下切速率與抬升速率相當,也等同于斷裂垂直滑動速率。但全新世以來,祁連山西段氣候在控制階地下切中起了決定性的作用[17],本區下切速率并不能等同于抬升速率,下切速率要遠遠大于抬升速率。

在斷裂西段臭水溝南,斷層陡坎發育于晚更新世洪積扇上[圖2(a)],形成的斷層陡坎高度在(3.9±0.5) m左右,其下更新世洪積扇上的陡坎高度約(2±0.2) m[圖2(b)],但較低陡坎存在一定的不確定性,可能是不同期洪積扇形成的侵蝕坎,而(3.9±0.5) m的數據較為可靠。在千佛洞附近,洪積扇上發育斷層陡坎[圖2(c)]兩條剖面線測量得到的陡坎高度分別為(4.6±0.2) m和(5.4±0.5) m[圖2(d)]。從區域上看,兩處陡坎可能發育于同一級地貌面上,平均高度在(4.6±0.7) m。該地貌面可能形成于晚更新世中段,以60 ka計算,則得到斷裂垂直滑動速率為(0.08±0.01) mm/a;根據張裕明等[6]在西段榆樹溝得到的年代40 ka計算,則斷裂垂直滑動速率為(0.12±0.01) mm/a,綜合考慮三危山斷裂西段晚更新世以來的垂直滑動速率在0.1 mm/a 左右。

在三危山斷裂的中、東段,斷層陡坎主要表現為基巖陡坎,晚更新世洪積扇上基本無斷層陡坎發育,很難確定斷裂的滑動速率。在斷裂東段,僅在十工口子附近發現在相當于晚更新世上段(約20 ka)的階地上發育反向陡坎,其高度僅有0.3 m[4],其滑動速率小于西段。從滑動速率上判斷,三危山斷裂活動性差異明顯,其活動性西段強于中東段。雖然前人對三危山斷裂垂直滑動速率的研究存在高估的可能性[6],但其速率值差異也反映了相同的特征。

圖2 三危山斷裂西段斷層陡坎測量Fig.2 Measurements on the fault scarps in the western segment of the Sanweishan fault

3 三危山地區地形因子特征

數字高程模型(Digital Elevation Model,DEM)是利用一定范圍內的地形高程數據將地表形態數字化并以模型化方式呈現的實體地面模型,其蘊含的地形地貌數據豐富,被廣泛應用于地學分析領域[18]。本文采用1∶5萬數字地形圖等高線生成的DEM數據(格網分辨率25 m),利用GIS技術及Matlab程序提取了三危山研究區各流域盆地內的河流或沖溝67條(圖3),通過對高程、坡度、河道陡峭指數及縱剖面等地形因子的定量分析,綜合研究三危山地區地貌特征因子對區域隆升差異的響應。

3.1 高程與坡度

高程是對地形點高低大小值的度量,而坡度則反映地表起伏的陡緩,二者在對地形發育特征的研究中均得到了廣泛應用[2,19]。研究利用ArcGIS空間分析功能,設置廊帶剖面測線兩側的數據統計緩沖寬度為100 m,長度為140～160 km,分別提取和計算三危山北麓沿山前斷裂走向的平均高程剖面[圖4(a)]與坡度剖面[圖4(b)],進而揭示出三危山地區山體隆升及地表起伏特征。

圖4 三危山高程與坡度因子提取結果Fig.4 Extraction of elevation and slope factor of Sanwei Shan

從研究所得結果來看,無論高程還是坡度在空間分布上均呈現西高東低的趨勢,三危山平均高程最大值域在斷裂西段,大部分海拔高度大于1 400 m,斷裂中段高程最低,多在約1 200 m,西段略高于東段。坡度的分布與高程分布存在相一致的趨勢,在山體的整個西段,平均坡度集中在20°以上,表明該段坡度變化陡峭,而中東段坡度值變化總體趨于平緩,平均坡度在10°左右,除樹溝子以西山體北麓部分表現出較高值外,段落其余大部分山體區均以低值分布,但東段山體北麓坡度高值分布比中段更為集中連續,在距斷裂較近的山前沿走向延伸。

3.2 河道陡峭指數

河道陡峭指數(ks)是反映基巖河道巖石抗侵蝕能力與河流動力侵蝕能力相對大小的系數,與河道比降(S)和流域面積(A)間存在冪律關系[20-22]:

S=ksA-θ

(1)

式中:ks即為河道陡峭指數;θ為河道凹度。通常將不同河道的陡峭指數進行標準化計算(ksn)后再進行比較。大量實踐研究指出,河道陡峭指數與基巖隆升速率呈正相關關系[21,23],高ks值指示基巖區基巖隆升速率較快,而低ks值對應的基巖隆升速率則較慢。因此,可根據ks值的變化判斷其對構造隆升差異響應的敏感程度。

研究通過計算各沖溝的標準化河道陡峭指數ksn,對三危山67條支流的河道陡峭指數空間分布規律進行繪制。如圖5所示,三危山北麓各支流ksn值在東西走向上變化趨勢明顯,總體來看,絕大部分西段支流ksn值大于中、東段支流,在斷裂分段點處有ksn值激增的特點。其中,ksn最大值位于斷裂西段,達110,最小值位于斷裂東段,ksn值僅14;斷裂西段流域內平均ksn值為56,東段次之,為31,最小值為中段流域,為29。

圖5 67條河流的河道陡峭指數Fig.5 The ksn value of 67 rivers in the study area

3.3 河道坡降指數

河道坡降指數(Stream gradient index,SL)是單位距離的河段坡度與河段中點距源頭距離的乘積[24],可表示為關系:

(2)

式中:▽H為單位河段高程變化值;▽L為單位河段長度;L為河段中心距河源的距離。此外,河道剖面上河源與出水口兩點間相接的直線代表全河段處于動力平衡時均衡狀態,其斜率為均衡坡降指標,用K表示。利用均衡坡降指標值(K)對各河流坡降指標進行標準化(SL/K)計算,可進一步比較不同河流間的河段坡降指標差異。河道坡降指數對河流各河段坡度變化響應敏感,對巖性差別、構造活動的強弱具有很好的指示作用[19]。

研究依次對西水溝—雙塔段的67條沖溝或河流的坡降指標進行了提取。結果表明[圖6(a)],研究區SL值大部分處于0～100區間,均值81,最大值位于西水溝—樹溝子段,達587;SL指標值整體西段與中、東段差異較大,西段SL平均值達185,而中、東段SL平均值分別僅為53、54。為進一步比較不同河流間的河段坡降指標差異,研究利用均衡坡降指標值(K)對各河流坡降指標進行了標準化(SL/K),結果顯示[圖6(b)],各河流標準化河道坡降指標(SL/K)與坡降指標分布趨勢一致,斷裂西段河道最陡,SL/K平均值3.3,東段次之,SL/K均值2.3,中段河道坡降最緩,SL/K均值僅1.6。

圖6 67條河流的坡降因子提取結果Fig.6 Extraction of SL factor of 67 rivers in the study area

4 討論

河道陡峭指數與河道坡降指數值的變化受巖性抗侵蝕能力影響,在抗侵蝕能力強的基巖區,河道陡峭指數與河道坡降指數均在高值區間占有較大比例[25-26]。研究區前第四系地層主要為前震旦系敦煌群和華力西期巖漿巖,敦煌群變質巖與侵入巖體構成了三危山隆升山地(圖1)。巖體類型主要為花崗質片麻巖、片巖、石英閃長巖及白云質大理巖等。第四系地層以更新世和全新世的風積、沖積、沖洪積及殘坡的砂巖、礫石等松散堆積為主。綜合研究區巖性分布特征認為,三危山斷裂西、中、東段一帶所在基巖區巖石抗侵蝕能力均較強,差異性并不顯著,ksn、SL/K值在樹溝子—十工口子、十工口子—雙塔堡一帶應偏大,而研究結果并不符合這一特征,ksn及SL/K高值均分布于西水溝—樹溝子段,樹溝子—十工口子段主要為低值,分布特征與巖性抗侵蝕能力所在區不一致,研究認為流域地貌參數受巖性影響有限。

降水可以增大河道徑流量進而提升對河道侵蝕能力,對流域高程、河道縱剖面坡度變化有一定影響[23]。據1981—2005年甘肅西北高原地區的降雨量數據統計結果顯示[27],三危山地區降水量正處于水平年穩態階段,降雨量少(38.28～51.1 mm/a)且穩定。因此,在降雨量少且巖性接近的條件下,降雨對地表的侵蝕作用程度相似,地貌參數應相同或接近。實際上,河道陡峭指數(圖5)及河流的坡降指數與標準化坡降指數變化起伏較大(圖6),其值未因侵蝕條件相同而表現出一致性,表明降雨對地表剝蝕改造能力不強。綜合認為降雨不是影響三危山地區地貌參數的主因,ksn、SL/K指標差異分布可能更多的與構造活動相關。

構造抬升可以改變區內山體、河道高程起伏變化塑造地貌形態,從而能夠影響河道坡降指數、河道陡峭指數分布趨勢。為進一步明確區域地貌參數值與構造活動性的相關性,研究對所得地貌特征因子與斷裂滑動速率進行了綜合對比和分析。由前所述,三危山斷裂各個段落滑動速率具有明顯的差異,西段大于中東段。地貌高程和坡度參數均顯示與滑動速率分布相同的特征(圖4)。對比不同段落ksn、SL、SL/K地貌參數值,西段較大,中、東段較為接近(圖5,6)。考慮到前述巖性與氣候因素作用對地貌參數的影響較小,地貌參數的變化主要受斷裂活動性的控制,地貌因子的分布特征與斷層滑動速率差異的一致性反映三危山的隆升主要受斷裂活動性控制。

三危山斷裂地處青藏高原北緣向北擴展的前緣地帶,屬于阿爾金斷裂帶向北擴展的派生斷裂,三危山斷裂在一定程度上遠程吸收了阿爾金斷裂走滑速率向東的衰減,調節著該地區構造應力分布[28]。但三危山斷裂整體滑動速率不高,左旋滑動速率僅約0.3 mm/a[29],構造活動整體不強,這也與本區無強震記錄相符合。青藏高原北緣與阿爾金斷裂走向相近或交角較小的斷裂往往具有左旋走滑性質[30],本區三危山斷裂和陽關斷裂與阿爾金斷裂走向近平行,均具有左旋走滑特征。三危山斷裂和陽關斷裂以左旋右階的形式展布(圖1),階區以擠壓隆升為主要特征,形成了鳴沙山及控制其隆升的鳴沙山斷裂。鳴沙山斷裂的新活動及鳴沙山地區的擠壓隆起加速了三危山西段的隆升,此外,巴兔山斷裂與三危山斷裂作為一個統一的構造變形體系吸收青藏高原向外圍的推擠變形,其分擔了三危山中東段的變形量,使三危山西段與中東段地貌發育差異性進一步擴大,顯示出西段強而中東段弱的特點。

5 結語

研究基于1∶5萬DEM數據,利用GIS技術及Matlab程序提取了三危山研究區各流域盆地內的河流或沖溝67條,通過對高程、坡度、河道陡峭指數及縱剖面等地形因子參數值的系統提取,綜合區內地層發育概況、降水條件及野外地質地貌特征調查,定量分析三危山地區地貌發育特征對斷裂構造活動的響應。研究表明:

(1) 三危山各段地貌發育程度存在明顯差異,綜合地貌參數值(高程、坡度、河道陡峭指數值和河道坡降指數值)空間分布不均,有斷裂西段遠大于中東段特征,揭示三危山抬升速率西段大于中東段,差異性抬升主要受控于三危山斷裂活動性差異。

(2) 鳴沙山的隆升及鳴沙山斷裂的新活動加速了三危山西段的隆升,此外,巴兔山斷裂與三危山斷裂作為一個統一的構造變形體系吸收青藏高原向外圍的推擠變形,其分擔了三危山中東段的變形量,對三危山西段與中東段地貌發育差異性擴大具有促進作用。